软岩坝基筑混凝土重力坝关键问题分析

周 华，王占军，2，杜 威， 陈东斌

(1. 长江勘测规划设计研究有限责任公司， 湖北 武汉 430010;2. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 湖北 武汉 430072)

我国水利水电工程建设中，混凝土重力坝是广泛采用的重要坝型之一，其结构简单，施工方便，能较好地适应地形与岩石情况的变化以及复杂和不均匀的地基。然而由于水能资源不断开发利用，具有较好坝址条件修建混凝土重力坝的工程越来越少，一些重力坝需修建在岩体质量较差的岩基上[1- 3]，比如软岩。软岩是具有特殊工程性质的一种岩石，以广泛分布的黏土岩或黏土质胶结砂岩等为代表，其饱和单轴抗压强度一般小于30MPa[4]。该类岩石岩性较软弱，岩体变形模量低，抗压强度及地基承载力低，易软化、膨胀、崩解，其工程特性受风化、水等环境条件影响大。

混凝土重力坝主要依靠自重在坝基面产生的摩擦力以及坝体与地基间的凝聚力来抵抗水荷载以维持稳定，其坝基岩体岩性对大坝的变形和稳定影响显著，其能否满足工程荷载的要求，关键在于其变形模量和强度参数能否保证建筑物稳定和变形要求[5- 7]。在软岩地基上修筑混凝土重力坝，可能出现坝体不均匀变形过大，沿软弱夹层滑动，导致坝体失稳和坝体破坏。如黑龙滩水库(坝高53m，坝基为砂岩与粉砂质泥岩)坝基岩体滑动导致坝体廊道开裂、漏水[8]；纪村重力坝(坝高22.5m，坝基为黏土质粉砂岩(内富含蒙脱石))坝基岩体裂隙、破碎情况严重，运行不久即出现坝基岩层泥化、软化现象，致使7号坝段坝基摩擦系数由0.4降至0.31，威胁大坝抗滑稳定性[9]；广西大化重力坝(坝高74.5m，坝基岩体为互层状的泥岩和灰岩)监测资料显示溢流坝段水平位移夏秋季节呈现趋向下游的异常现象，有限元计算和监测资料对比分析表明下游水位变幅大及坝基软弱是主要原因[10]。

目前软岩坝基修筑高混凝土重力坝的工程实践较少[11]，其筑混凝土重力坝适宜性研究相应缺乏。本文基于软岩坝基岩体试验成果及工程实例资料，对多组软岩物理力学试验数据进行统计分析，比较不同岩性的岩体物理力学参数差异，系统总结软岩岩体的强度特性、抗剪断特性、变形特性、承载力等岩体力学特性，分析软岩坝基可能出现的工程地质问题，提出软岩坝基上修筑混凝土重力坝应重视的问题，供其他类似工程借鉴。

1 软岩坝基混凝土重力坝的发展

已建的软岩坝基混凝土重力坝多数只是局部坝基“软弱”，即局部存在软弱夹层和软弱结构面。

本文研究的软岩坝基是指工程地基岩体整体“软弱”，即坝基岩体大部分或全部为软岩。

笔者收集了国内19座典型的软岩坝基混凝土重力坝(闸坝)工程[6- 7，11- 16]，见表1。由表1可知，盐锅峡是国内最早(1961年)在软岩坝基上修筑的混凝土重力坝，其坝基岩体为白垩系红层砂页岩；2000年以前建成的软岩坝基混凝土重力坝较少(有5座)，大部分工程(有14座)建成于2000年以后，并将继续增多；从分布区域看，主要位于西北地区的黄河干流上游，西南地区的四川、广西、云南等以及汉江流域湖北地区等；混凝土重力坝因对坝基要求较高，在软岩地质条件下修筑的混凝土重力坝坝高普遍较低，最高为57.2m的盐锅峡电站工程，国内尚没有100m级高坝工程的实例；四川盆地红层软岩地区修建的水电站工程全部为闸坝，混凝土坝段坝高基本在30m以下[8]。

2 软岩岩体强度特性

坝基软岩主要是砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩等，砂岩与泥质粉砂岩属于较软岩，其饱和抗压强度30MPa≥Rb>15MPa，粉砂质泥岩与泥岩属于软岩(15MPa≥Rb>5MPa)。如我国西北、西南、华中及华南地区广泛分布红层软岩岩体，其岩性多为砂岩及泥质岩[8]。本文收集了典型区域坝基软岩的物理力学试验成果资料[1，12- 24]，见表2—3。由表2可知，软岩天然密度为2.1～2.4g/cm3；不同岩性的软岩抗压强度相差较大，砂岩类软岩强度高于泥岩类，但均较低；与天然抗压强度相比，软岩饱和抗压强度降低明显，这与软岩遇水易软化、崩解特性密切相关，砂岩类软岩软化系数大于泥岩类。

3 软岩岩体变形特性

由表3可知，软岩岩体变形模量值较低；不同岩性的软岩变形模量相差较大，泥质岩类较砂岩类岩体小，这与砂岩类岩体(属于较软岩)和 泥质类岩(属软岩)两者的坚硬程度不同是相适应的[8]；岩性相同的岩体，岩体产状及风化程度不同，变形模量值也存在明显差异。岩体变形模量不均一性会造成坝基不均匀变形，在实际工程中需采取防范措施。如沙坡头坝基泥、页岩与砂岩变形模量差异较大，为避免产生较大不均匀变形，在2#机组以左坝段横缝底部设置厚混凝土托板，3#～5#泄洪闸炭质页岩坝基置换1.5m厚混凝土[26]。

表1 软岩坝基筑混凝土重力坝(闸坝)工程实例

表2 典型工程坝基软岩抗压强度成果

表3 典型工程坝基软岩剪切及变形模量现场试验成果

(续表)

4 软岩坝基承载力

软岩坝基的承载力允许值通常以现场载荷试验为基础，参考行业规范规定，经综合分析确定[25]，如沙坡头软岩坝基承载力以极限荷载平均值取2.5倍安全系数确定[25]；柴志阳等[16]在对比分析多种规范基础上，确定采用GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》的修正方法计算西霞院软岩坝基承载力。根据软岩地区工程经验，该类方法往往对软岩坝基承载力估计不足[19，26- 27]，鉴此，部分学者尝试其它方法获取软岩坝基承载力，如针对环境极度敏感的广西第三系泥岩采用动力触探试验获取坝基承载力[19]，利用Hoek-Brown强度准则建立砂砾软岩极限承载力分析方法[27]。由表3可知，软岩坝基承载力总体较低，受岩性及岩体构造发育情况影响。对于不同岩性组合的坝段，建议分别确定坝基承载力。对承载力不满足要求的软岩坝基，需采取增大坝基承载面积、局部深挖、置换混凝土和减少坝体荷载等工程措施，如西霞院混凝土坝段采用局部素混凝土桩进行加固处理[16]；沙坡头通过在实体混凝土内设置减载空腔改善坝基岩体受力[25]。

5 软岩坝基岩体剪切破坏特征

软岩岩体现场抗剪试验表明其剪切破坏一般为塑性破坏，岩体抗剪强度取屈服值作为标准值[24]。由表3可知，砂岩类软岩抗剪断强度f'多在0.7～1.0，c'多在0.6～0.85MPa；泥质类软岩抗剪断强度f'多在0.3～0.5，c'多在0.1～0.5MPa；不同岩性的软岩抗剪断强度相差较大，砂岩类明显大于泥质岩类；对于软岩，因其“软”特性，岩体本体的抗剪断强度和混凝土与岩体结合面的抗剪断强度，均由岩体的岩性及风化程度决定[8]。一般来说软岩岩体本体强度大于岩石与混凝土结合面的抗剪断强度值[24]。

总结已收集的工程坝基岩体资料发现，软岩坝基岩体的剪切破坏面特征与岩石的强度、完整程度及岩性组合密切相关，主要有3种类型[8，28- 29]：①一部分剪切面为沿混凝土与岩石的接触面，另一部分位于坝基岩体中，这种破坏面类型的岩体主要是较软岩(岩体单轴抗压强度15～30MPa)，多为较完整的层状砂岩和泥质粉砂岩；②剪切破坏面全部位于坝基岩体中，这种类型岩体的单轴抗压强度一般为小于15MPa的软岩，其岩性多为粉砂质泥岩与泥岩；③由砂岩及泥岩互层结构组成的坝基岩体，若顺层分布的软弱夹层发育，且与层面近于垂直的构造裂隙的结构面组合，易产生沿软弱夹层的深层滑动。

6 软岩坝基处理与加固

软岩岩体强度低、易风化崩解，软岩坝基需采取加固处理措施，常采用坝基开挖保护、固结灌浆和帷幕灌浆进行加固和防渗。现场试验及室内试验结果均表明，软岩坝基岩体抗风化能力较弱，风化会降低软岩岩体抗剪断强度等物理力学特性[8]，因此坝基施工开挖时应预留保护层。如色拉龙一级水电站重力坝坝基开挖时先预留1～2m保护层，再采用人工清基，24h内喷混凝土或浇筑混凝土[30]。相反，牙扎和文祖口水库白垩系砾岩坝基开挖后放置时间较长，且未能及时保护和浇筑灌浆盖板，造成表层岩石风化和裂隙发育，坝基灌浆效果亦不理想[31]。多个工程实践表明对软岩坝基开挖时应适当预留保护层和及时浇筑混凝土覆盖保护。

软岩坝基宜进行固结灌浆，不仅提高浅层基岩完整性，还增强坝基浅表层基岩抗渗性，并为帷幕灌浆造盖，减少基岩抬动可能性[31]。软岩坝基不同于硬岩，岩体抗劈裂能力差，不宜过度采用较高的灌浆压力，否则坝基灌浆容易出现劈裂和抬动，建议灌浆压力0.5～1.5MPa，但具体需通过灌浆试验确定，同时可通过改变常规灌浆方式，如增加浅表层固结灌浆和增加帷幕排数以保证帷幕的防渗效果[32]。硬岩坝基帷幕质量检查压水试验压力取值原则已不适用于软岩坝基，应根据坝基岩性和试验结果合理确定压力，防止压水试验压力过大破坏帷幕。

7 结论

(1)不同岩性的软岩抗剪断指标相差较大，岩体抗风化能力较弱，坝基开挖时应预留保护层。

(2)软岩岩体变形模量较低，不同岩性的变形模量相差较大；岩性相同的岩体，岩体产状及风化程度不同，变形模量也存在明显差异。

(3)软岩坝基承载力总体较低；对于不同岩性组合的坝段，建议分别确定坝基承载力。对承载力不满足要求的软岩坝基，需采取增大坝基承载面积、局部深挖、置换混凝土和减少坝体荷载等工程措施。

(4)软岩坝基混凝土重力坝滑动破坏主要为浅层滑动和深层滑动；对于存在软弱夹层的软岩坝基，易产生沿软弱夹层的深层滑动。

(5)由于软岩岩体质地软弱，抗剪强度较低，坝基允许承载力及变形模量均较小，岩体中可能还有软弱夹层等软弱结构面存在，这些结构特征使坝基存在不均匀沉降和抗滑稳定问题。

(6)软岩坝基灌浆不同于硬岩坝基，灌浆压力不宜较高，并通过改变灌浆方式增强坝基帷幕防渗效果。